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Embedded Programming/Atmega 128A (실습)

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유로 청년 2024. 6. 11. 20:50

서론

이번 구현 실습에는 버튼 3개를 통해 LED를 제어하는데, 이 과정에서 구조체와 포인터, 열거형(enum) 을 사용하여 구현하도록 하겠다. 해당 실습을 통해 구조체, 포인터에 대한 이론 및 활용을 공부하고, enum에 대해서 공부하도록 하겠다.

본론

이번 구현 환경은 다음과 같다.

1. 연결된 상태

PORT F 의 8핀을 모두 사용하여 LED를 연결
PD0, PD1, PD2 에 버튼 연결
각 버튼들은 Pull-up 회로 연결된 상태이다.
- 버튼을 누르기 전까지는 회로가 open 상태이기 때문에 5V 전압이 인가된다.
- 버튼을 누르면 회로가 short되면서 0V 전압으로 변환된다.

2. 동작

PD0 버튼을 누르면 LED가 켜진다.
PD1 버튼을 누르면 LED가 꺼진다.
PD2 버튼을 누르면 LED가 Toggle된다.

3. 구조체 (Button)

구조체는 다음과 같이 맴버를 갖는다.

typedef struct {
   volatile uint8_t *ddr;
   volatile uint8_t *pin;
   uint8_t          btnPin;
   uint8_t          prevState; // 버튼 상태
} Button;

ddr 포인터 변수 : 버튼의 DDR (Data Direction Register)
pin 포인터 변수 : 버튼의 PIN (Input Pins Address Register)
btnPin 변수 : 버튼이 연결된 핀 번호
prevState 변수 : 버튼의 이전 상태

4. 열거형 ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐

열거형은 다음과 같이 구성했지만, 단순히 순서를 아래와 같이 구현한 것이 아니다.

주의) 해당 열거형은 Pull-up Switch 회로 구성임을 생각하고, 아래와 같이 열거형을 구성했다.

// Enumeration
enum {PUSHED, RELEASED};
enum {NO_ACT, ACT_PUSHED, ACT_RELEASED};
enum {LED_ON, LED_OFF, LED_TOGGLE};

enum {PUSHED, RELEASED};
- Switch circuit은 Pull-Up 회로 이기 때문에 Switch가 Open되면 button의 PIN Register 값은 1(5V 전압)값을 갖는다.
- 그러나, Switch가 Close되면 button의 PIN Register 값은 0(0V 전압)값을 갖는다.

Q) 왜 Switch가 Close되면 PIN 값은 0V 전압 값을 갖는가?
A) Switch가 닫히면 Vcc와 GND 가 Short되기 때문에 버튼의 핀으로 전압이 가지 않기 때문에 0V 전압을 갖는다.

⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ (정말 중요)
- 따라서 버튼이 눌렀을 때, 버튼의 핀의 값은 0이기 때문에 PUSHED 상수 값이 0이여야 한다.
- 또한 버튼을 누리지 않으면 버튼의 핀의 값이 1이기 때문에 RELEASED 상수 값이 1이여야 한다.

Q) 왜 해당 내용을 강조하는가?
A) 본인이 이 내용때문에 정말 고생했기 때문이다. 해당 경험을 코드를 통해 프로그래밍시 회로의 구성 및 상태를 고려하고, 단순히 프로그래밍하면 안된다는 것을 배웠기 때문에 중요하다고 생각한다.
enum {NO_ACT, ACT_PUSHED, ACT_RELEAED}
- 버튼의 현재 상태와 과거 (이전) 상태를 모두 고려하여 버튼의 상태 변화에 대한 반환값으로 활용

5. 각 버튼의 구조체를 초기화 작업 함수

이번 구현에서는 3가지 버튼을 사용한다.1) LED을 켜는 버튼, 2) LED를 끄는 버튼, 3) LED를 Toggle 버튼

// Initialization of button.
void init_button(BUTTON *button, volatile uint8_t *ddr, volatile uint8_t *pin, uint8_t pinNumber) {
	button->ddr = ddr;
	button->pin = pin;
	button->pinNumber = pinNumber;
	button->prev_state = RELEASED;
	
	// 버튼의 출력 핀을 입력으로 초기 설정.
	*button->ddr &= ~(1<<button->pinNumber);
}

각각의 버튼의 주소 값와 초기화 작업에 필요한 값을 argument로 전달하면 이를 초기화한다.
그리고, 버튼이 연결된 핀에 대해서 DDR (Data Direction Register) Register 값을 0으로 설정하여
입력으로 받도록 초기 설정한다.

6. 버튼의 현재 상태와 과거 상태를 모두 고려하여 버튼이 눌러진 상태인지, 버튼을 눌렀다가 뗀 상태인지 확인

해당 함수는 이번 구현에 핵심 중 하나라고 볼 수 있는 함수이다.

// Detecting a button.
uint8_t detecting_button(BUTTON *button) {
	// 현재 스위치 회로는 Pull-Up 회로로 연결된 상태이기 때문에
	// Switch Open : pin 값에 5V 전압 값이 감지
	// Switch Close : pin 값에 0V 전압 값이 감지
	uint8_t current_state = *button->pin & (1<<button->pinNumber);
	
	if(current_state == PUSHED && button->prev_state == RELEASED) {
	    button->prev_state = PUSHED;
	    return ACT_PUSHED;
	}else if(current_state != PUSHED && button->prev_state == PUSHED) {
            button->prev_state = RELEASED;
            return ACT_RELEASED;
	}else return NO_ACT;
}

다시 한 번 강조하지만, 해당 스위치 회로는 Pull-up으로 구성되었다.
따라서 버튼을 누르기 전에는 아래 그림과 같이 Vcc와 GND가 회로적으로 연결이 안 된 상태이기 때문에 버튼을 Open 상태에서는 버튼의 핀에는 5V 전압이 들어온다.
하지만, 버튼을 누르면 Vcc와 GND가 회로적으로 연결되기 때문에 Vcc 전압이 버튼의 핀으로 가지 않고, GND로 향하기 때문에 버튼의 핀에는 0V 전압이 들어온다.

따라서 current_state 변수는 버튼을 눌렀을 때는 0을 갖지만, 버튼을 누르지 않으면 1을 갖는다.
따라서 버튼이 눌렀는지를 감지하기 위해서 if문 내에서 아래와 같이 구성함으로서 눌렀는지 여부를 확인한다.

if(current_state == PUSHED && button->prev_state == RELEASED)

⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐ ⭐
Q) 열거형에서 PUSHED와 RELEASED를 바꾸면 안되는가?
즉, enum {RELEASED, PUSHED}로 작성하면 안되는가?
A) 본인도 PUSHED와 RELEASED를 바꾸어보고, 고생(?) 좀 했다.
일단, 이전에도 말했듯이 해당 스위치 회로는 Pull-UP 회로로 구성되어 있다. 즉, 회로를 누르면 버튼의 핀 값이 1이 아니고 0이다. 따라서 위 if문을 이용하여 버튼을 눌렀는지 여부를 확인하려면, PUSHED 상수값이 0이여야 가능하다.
Q) 히지만, 만약 스위치 회로가 Pull-down 회로 구성했다면, 가능한가?
A) 그땐 바꿔도 좋다. 왜냐하면 Pull-down 스위치 회로에서는 버튼을 누르지 않으면 0V이지만, 버튼을 누르면 5V전압이 버튼의 핀으로 들어오기 때문에 그 때는 버튼을 눌렀는지 여부를 확인하기 위해서는 PUSHED 상수 값이 1이여야 한다.

본론 (소스 코드)

- 버튼을 누르는 순간에 버튼을 동작하도록 설계

#define F_CPU 16000000UL
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

// Structure.
typedef struct {
	volatile uint8_t* ddr;
	volatile uint8_t* pin;
	uint8_t pinNumber;
	uint8_t prev_state;
} BUTTON;

// Substitute constant.
#define BUTTON_DDR		DDRD
#define BUTTON_PIN		PIND
#define LED_DDR			DDRF
#define LED_PORT		PORTF
#define TIME			200

// Enumeration
enum {PUSHED, RELEASED};
enum {NO_ACT, ACT_PUSHED, ACT_RELEASED};
enum {LED_ON, LED_OFF, LED_TOGGLE};

// Function prototype.
void init_button(BUTTON *button, volatile uint8_t *ddr, volatile uint8_t *pin, uint8_t pinNumber);
void init_LED();
uint8_t detecting_button(BUTTON *button);

// Main method.
int main(void)
{
	BUTTON BUTTON_LED_ON;
	BUTTON BUTTON_LED_OFF;
	BUTTON BUTTON_LED_TOGGLE;
	
	// Initialization of button.
	init_button(&BUTTON_LED_ON, &BUTTON_DDR, &BUTTON_PIN, LED_ON);
	init_button(&BUTTON_LED_OFF, &BUTTON_DDR, &BUTTON_PIN, LED_OFF);
	init_button(&BUTTON_LED_TOGGLE, &BUTTON_DDR, &BUTTON_PIN, LED_TOGGLE);
	
	// Initialization of LED.
	init_LED();
	
	while(1) {
		// Detect motion of button.
		if(detecting_button(&BUTTON_LED_ON) == ACT_PUSHED) {
			LED_PORT = 0xff;
			_delay_ms(TIME);
		}
		
		if(detecting_button(&BUTTON_LED_OFF) == ACT_PUSHED) {
			LED_PORT = 0x00;
			_delay_ms(TIME);
		}
		
		if(detecting_button(&BUTTON_LED_TOGGLE) == ACT_PUSHED) {
			LED_PORT ^= 0xff;
			_delay_ms(TIME);
		}
	}
	
	return 0;
}

// Initialization of button.
void init_button(BUTTON *button, volatile uint8_t *ddr, volatile uint8_t *pin, uint8_t pinNumber) {
	button->ddr = ddr;
	button->pin = pin;
	button->pinNumber = pinNumber;
	button->prev_state = RELEASED;
	
	// 버튼의 출력 핀을 입력으로 초기 설정.
	*button->ddr &= ~(1<<button->pinNumber);
}

// Initialization of LED.
void init_LED() {
	LED_DDR = 0xff;
	LED_PORT = 0x00;
}

// Detecting a button.
uint8_t detecting_button(BUTTON *button) {
	// 현재 스위치 회로는 Pull-Up 회로로 연결된 상태이기 때문에
	// Switch Open : pin 값에 5V 전압 값이 감지
	// Switch Close : pin 값에 0V 전압 값이 감지
	uint8_t current_state = *button->pin & (1<<button->pinNumber);
	
	if(current_state == PUSHED && button->prev_state == RELEASED) {
		button->prev_state = PUSHED;
		return ACT_PUSHED;
	}else if(current_state != PUSHED && button->prev_state == PUSHED) {
		button->prev_state = RELEASED;
		return ACT_RELEASED;
	}else return NO_ACT;
}

- 버튼을 눌렀다가 떼는 순간에 버튼을 동작하도록 설계

#define F_CPU 16000000UL
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

// Structure.
typedef struct {
	volatile uint8_t* ddr;
	volatile uint8_t* pin;
	uint8_t pinNumber;
	uint8_t prev_state;
} BUTTON;

// Substitute constant.
#define BUTTON_DDR		DDRD
#define BUTTON_PIN		PIND
#define LED_DDR			DDRF
#define LED_PORT		PORTF
#define TIME			200

// Enumeration
enum {PUSHED, RELEASED};
enum {NO_ACT, ACT_PUSHED, ACT_RELEASED};
enum {LED_ON, LED_OFF, LED_TOGGLE};

// Function prototype.
void init_button(BUTTON *button, volatile uint8_t *ddr, volatile uint8_t *pin, uint8_t pinNumber);
void init_LED();
uint8_t detecting_button(BUTTON *button);

// Main method.
int main(void)
{
	BUTTON BUTTON_LED_ON;
	BUTTON BUTTON_LED_OFF;
	BUTTON BUTTON_LED_TOGGLE;
	
	// Initialization of button.
	init_button(&BUTTON_LED_ON, &BUTTON_DDR, &BUTTON_PIN, LED_ON);
	init_button(&BUTTON_LED_OFF, &BUTTON_DDR, &BUTTON_PIN, LED_OFF);
	init_button(&BUTTON_LED_TOGGLE, &BUTTON_DDR, &BUTTON_PIN, LED_TOGGLE);
	
	// Initialization of LED.
	init_LED();
	
	while(1) {
		// Detect motion of button.
		if(detecting_button(&BUTTON_LED_ON) == ACT_RELEASED) {
			LED_PORT = 0xff;
			_delay_ms(TIME);
		}
		
		if(detecting_button(&BUTTON_LED_OFF) == ACT_RELEASED) {
			LED_PORT = 0x00;
			_delay_ms(TIME);
		}
		
		if(detecting_button(&BUTTON_LED_TOGGLE) == ACT_RELEASED) {
			LED_PORT ^= 0xff;
			_delay_ms(TIME);
		}
	}
	
	return 0;
}

// Initialization of button.
void init_button(BUTTON *button, volatile uint8_t *ddr, volatile uint8_t *pin, uint8_t pinNumber) {
	button->ddr = ddr;
	button->pin = pin;
	button->pinNumber = pinNumber;
	button->prev_state = RELEASED;
	
	// 버튼의 출력 핀을 입력으로 초기 설정.
	*button->ddr &= ~(1<<button->pinNumber);
}

// Initialization of LED.
void init_LED() {
	LED_DDR = 0xff;
	LED_PORT = 0x00;
}

// Detecting a button.
uint8_t detecting_button(BUTTON *button) {
	// 현재 스위치 회로는 Pull-Up 회로로 연결된 상태이기 때문에
	// Switch Open : pin 값에 5V 전압 값이 감지
	// Switch Close : pin 값에 0V 전압 값이 감지
	uint8_t current_state = *button->pin & (1<<button->pinNumber);
	
	if(current_state == PUSHED && button->prev_state == RELEASED) {
		button->prev_state = PUSHED;
		return ACT_PUSHED;
	}else if(current_state != PUSHED && button->prev_state == PUSHED) {
		button->prev_state = RELEASED;
		return ACT_RELEASED;
	}else return NO_ACT;
}

Q) detecting_button 함수에 대해 좀 더 설명해달라.

// Detecting a button.
uint8_t detecting_button(BUTTON *button) {
	// 현재 스위치 회로는 Pull-Up 회로로 연결된 상태이기 때문에
	// Switch Open : pin 값에 5V 전압 값이 감지
	// Switch Close : pin 값에 0V 전압 값이 감지
	uint8_t current_state = *button->pin & (1<<button->pinNumber);
	
	if(current_state == PUSHED && button->prev_state == RELEASED) {
		button->prev_state = PUSHED;
		return ACT_PUSHED;
	}else if(current_state != PUSHED && button->prev_state == PUSHED) {
		button->prev_state = RELEASED;
		return ACT_RELEASED;
	}else return NO_ACT;
}

current_state 변수는 현재의 버튼 상태를 입력받아 저장한 변수이다.
첫 번째 조건문은 "현재 상태는 버튼을 눌렀는데, 과거 상태는 버튼을 누르지 않는 상태라면"을 의미
▶ 조건에 만족하면 "버튼의 과거 상태를 눌린 상태"로 변환
▶ ACT_PUSHED 상태를 반환한다.
두 번째 조건문은 "현재 상태는 버튼이 눌리지 않는 상태이지만, 과거 상태는 버튼이 눌린 상태라면"를 의미
▶조건에 만족하면 "버튼의 과거 상태를 누르지 않은 상태"로 변환
▶ ACT_RELEASED 상태로 반환하다.
나머지 경우는 NO_ACT 상태를 반환함으로서 해당 상태에 대해서 반응하지 않도록 한다.
▶ 나머지 경우는 다음과 같다.
▶ 현재 상태 : 버튼이 눌린 상태, 과거 상태 : 버튼이 눌린 상태
▶ 현재 상태 : 버튼이 누르지 않은 상태, 과거 상태 : 버튼이 누르지 않은 상태

결론

이번 구현은 구조체 개념과 포인트 개념, 회로 개념이 종합적으로 들어갔기 때문에 중요한 구현이였다. 이해하기 어렵거나 스스로 다시 구현하는 것이 힘들 수 도 있지만, 그런 만큼 배우는 것과 실력이 상승할 수 있어 다시 한 번 천천히 생각하고, 스스로 구현해보도록 연습해보자.

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